ELETROMAGNETISMO: Inicio dos estudos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAPÁ
COODERNAÇÃO DO CURSO DE LICENCIATURA PLENA EM FÍSICA
HILKIAS PENHA DA SILVA
MÁRCIO DA SILVA GUIMARÃES
ELETROMAGNETISMO
Inicio dos estudos eletromagnéticos e suas aplicações tecnológicas
MACAPA
2010
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HILKIAS PENHA DA SILVA
MÁRCIO DA SILVA GUIMARÃES
ELETROMAGNETISMO
Inicio dos estudos eletromagnéticos e suas aplicações tecnológicas
Trabalho apresentado para avaliação na disciplina
de Trabalho de Conclusão de Curso TCC, do
curso de licenciatura plena em Física, da
Universidade Federal do Amapá ministrado pelo
professor Dr. Henrique Duarte Fonseca Filho.
MACAPA
2010
2
HILKIAS PENHA DA SILVA
MÁRCIO DA SILVA GUIMARÃES
ELETROMAGNETISMO
Inicio dos estudos eletromagnéticos e suas aplicações tecnológicas
AVALIADORES
______________________________________
Prof. Dr. Henrique Duarte da Fonseca Filho
Universidade Federal do Amapá – UNIFAP
______________________________________
Prof. Dr. Yony Walter Milla Gonzales
Universidade Federal do Amapá - UNIFAP
______________________________________
Prof. Dr. José Reinaldo Cardoso Nery
Universidade Federal do Amapá – UNIFAP
Avaliado em: ____/____/____
MACAPA
2010
3
Agradecemos à nossa família, por estarem a postos
sempre que precisamos.
Ao nosso orientador Prof. Dr. Henrique Duarte da
Fonseca Filho pela paciência e auxílio, e por ter
aceitado nosso trabalho.
Aos nossos grandes amigos, André Bitencourt,
Daniele Ramalho, Fábio Sardinha e o Kleison Batista,
que sempre nos apoiaram nessa grande jornada.
Aos (quase-) Físicos da nossa turma com quem
compartilhamos alegrias e inquietações ao longo do
curso.
4
Tenha em mente que tudo que você aprende na
escola é trabalho de muitas gerações. Receba essa
herança, honre-a, acrescente a ela e, um dia,
fielmente, deposite-a nas mãos de seus filhos.
Albert Einstein
5
RESUMO
O trabalho apresenta o resultado de uma investigação sobre a história do
Eletromagnetismo e suas aplicações tecnológicas no decorrer dos anos, relatando os primeiros
indícios da Eletricidade e do Magnetismo, chegando até ao momento onde ambos relacionamse, dando início a uma nova ciência, o Eletromagnetismo. Diante de tal descoberta, James
Clerk Maxwell, dedicou-se durante décadas no estudo dessa relação e acabou por sintetizar
em quatro equações, chamadas posteriormente de Equações de Maxwell. Em paralelo ao
estudo dessa nova ciência, há também, a corrida para desenvolver aparelhos envoltos a essa
ciência. Tecnologias desenvolvidas a partir do estudo do eletromagnetismo surgiram,
provocando grandes modificações no modo de vida da sociedade, estando presente em todos
os setores que a compõe, como o transporte, comunicação, saúde, lazer, educação, indústria e
etc.
Palavras-chave: História, Eletromagnetismo, Tecnologia
6
ABSTRACT
The paper presents the results of an investigation into the history of
electromagnetism and its technological applications over the years, reporting the first signs of
electricity and magnetism, even to the point where both are related, beginning a new science,
the Electromagnetism. Before that discovery, James Clerk Maxwell, he devoted himself for
decades to study this relationship and eventually summarized into four equations, later called
Maxwell's equations. In parallel to study this new science, there is also the race to develop
machines that are related to it. Technologies developed from the study of electromagnetism
arose, causing great changes in the way of life of the society, present in all sectors within it,
such as transport, communication, health, leisure, education, industry and so on.
KEYWORDS: History, Electromagnetism, Technology
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 01 - Uma carga q interagindo com uma carga q 0 .......................................................23
Figura 02 - Linhas de campo elétrico de um dipolo elétrico...................................................24
Figura 03 - Linhas de campo magnético de um ímã................................................................24
Figura 04 - Percurso para integral de linha de B a redor de um condutor retilíneo................25
Figura 05 - Um ímã aproximando-se de um solenóide ligado a um amperímetro..................26
Figura 06 - Um anel mergulhado em um campo magnético variável .....................................27
Figura 07 - Telégrafo de Morse...............................................................................................30
Figura 08 - Pontos e Traços do código Morse.........................................................................30
Figura 09 - Esquema de funcionamento do telégrafo de Morse..............................................31
Figura 10 - Princípio da Levitação por Atração Magnética.....................................................34
Figura 11 - Modelo do trem alemão denominado Transrapid.................................................34
Figura 12 - Princípio da Levitação Magnética.........................................................................35
Figura 13 - Princípio da Orientação Lateral............................................................................35
Figura 14 - Sistema de transmissão de dados entre central de controle e o trem maglev........36
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SUMÁRIO
INTRODUÇÃO.................................................................................................................10
1 – PRIMEIROS INDÍCIOS DO MAGNETISMO...........................................................12
1.1 - Antiguidade...................................................................................................12
1.2 - Idade Média...................................................................................................13
1.3 - Idade Moderna...............................................................................................14
1.4 - Surgimento da eletricidade............................................................................15
1.4.1- Idade Moderna.....................................................................................15
1.5 - Os primeiros indícios da relação entre eletricidade e magnetismo...............17
1.5.1 - Idade Contemporânea.........................................................................17
1.6 - A unificação da eletricidade com o magnetismo...........................................20
2 – AS EQUAÇÕES DE MAXWELL...............................................................................22
2.1- Lei de Gauss para o Campo Elétrico..............................................................22
2.2 - Lei de Gauss para o Campo Magnético.........................................................24
2.3 - Lei de Ampère...............................................................................................25
2.4 - Lei de Faraday...............................................................................................25
2.4.1- Um Campo Magnético variável produz um Campo Elétrico...............27
3 - APLICAÇÕES TECNOLÓGICAS DO ELETROMAGNETISMO............................29
3.1 - Telégrafo.......................................................................................................29
3.1.1- Fundamentação teórica do telegrafo de Morse...................................30
3.1.2- Contribuições para sociedade.............................................................32
3.2 - Trem Bala (MagLev)....................................................................................32
3.2.1- Fundamentação teórica do trem bala..................................................33
9
3.2.1.1- Levitação por atração magnética..............................................33
3.2.1.2- Princípio da levitação magnética.............................................34
3.2.1.3- Princípio da orientação lateral..................................................35
3.2.1.4- Princípio da propulsão..............................................................35
3.2.2- Sistema de controle............................................................................36
3.2.3- Vantagens da tecnologia....................................................................37
3.2.4- Vantagens ambientais........................................................................38
3.2.4.1- Poluição sonora........................................................................38
3.2.4.2- Vibração...................................................................................38
3.2.4.3 Poluição atmosférica.................................................................38
4 - CONSIDERAÇÕES FINAIS.......................................................................................39
5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS..........................................................................40
6 – ANEXO.......................................................................................................................42
ANEXO A – Equações de Maxwell......................................................................43
7 - APÊNDICE..................................................................................................................49
APÊNDICE A – Autores e datas...........................................................................50
10
INTRODUÇÃO
Este trabalho desenvolve uma relação muito importante entre a evolução da ciência e
sua aplicação tecnológica desenvolvida a partir de seu estudo: o eletromagnetismo. Ilustra-se
a dependência entre o conhecimento científico e tecnológico.
Provavelmente o interesse da humanidade pelo magnetismo tenha começado há
milhares de anos, quando o homem conheceu o poder dos ímãs sobre certos materiais. De lá
para cá, vários novos fenômenos foram descobertos, explicados e muitos se transformaram
em equipamentos que tornaram nossa vida muito mais cômoda. Fenômenos como a levitação
magnética, estão, aos poucos, se revelando como aplicações inovadoras, que prometem
revolucionar, entre outros, o setor de transporte.
Até o fim do século XVIII a eletricidade e o magnetismo eram pouco mais que
curiosidades de laboratório, sem qualquer interconexão conhecida. Foi no século XIX que se
descobriram os efeitos magnéticos das correntes. No princípio do século XX, com a
incorporação do eletromagnetismo à relatividade restrita, percebeu-se que campos elétricos e
magnéticos são aspectos diferentes de um mesmo campo fundamental, o campo
eletromagnético. (NUSSENZVEIG, 2003)
Diante disso, o objetivo desse trabalho é apresentar um estudo sobre a ciência do
eletromagnetismo e suas aplicações tecnológicas, desde que essa ciência era estudada
isoladamente em duas vertentes, eletricidade e magnetismo, até os dias atuais onde nos
proporcionam inovadoras tecnologias.
No capitulo 1, relata-se o início dos estudos da eletricidade e magnetismo, até o
descobrimento da relação entre ambos. São citados trabalhos de Christian Oersted, André
Marie Ampère, Michael Faraday, e algumas das figuras de renome da ciência do século
11
passado. No capitulo 2, mostra-se matematicamente a essência das quatro equações de James
Clerk Maxwell. No capitulo 3, é apresentada a aplicação do conhecimento cientifico do
eletromagnetismo, a tecnológicas importantes e suas mudanças diante da sociedade.
12
1. PRIMEIROS INDÍCIOS DO MAGNETISMO
1.1
Antiguidade (600 a.C. e 1100 d.C)
A palavra magnetismo está associada ao fenômeno pelo qual um ente tem o poder de
atrair e enunciar outro ente. Sua origem está ligada ao nome de uma cidade da região da
antiga Turquia, que era rica em minério de ferro, a Magnésia. Este mineral que no seu estado
natural, freqüentemente têm o poder de atrair o ferro e outros metais, era extraído na província
da Ásia menor. (PAVAN, 2000, Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 22)
Provavelmente foram os gregos, quem primeiro repetiram sobre as propriedades da
magnetita ( Fe2 O4 ). O pensamento e a filosofia grega dominaram todo conhecimento neste
tema nos vinte e três séculos seguintes. Pois uma característica da filosofia grega era de não
buscar a explicação e predição das maravilhas da natureza, mas sim compreendê-las no
campo das idéias.
Por volta do ano 600 a.C o filósofo grego chamado Thales de Miletus (640-550 a.C.)
notou que ao esfregar um pedaço de âmbar a um pedaço de lã, o mesmo ganhava propriedades
de atração e, deste modo, atraia os pedaços de palha. Thales também descobriu a existência
desta mesma propriedade do âmbar em uma pedra encontrada na Magnésia, sendo que a
diferença entre elas seria de que essa pedra não precisaria ser atritada para ficar magnetizada.
A partir desta descoberta, Thales passou a conhecer os efeitos atrativos da pedra da Ásia.
Segundo estudos, nesta pedra há um tipo de óxido de ferro, a qual foi batizada de magnetita
em homenagem ao pastor chamado Magnes que percebeu que as pedras grudavam em seu
cajado de ferro. (BASSALO, 1996, p. 26)
A partir desta descoberta os estudiosos atribuíram as propriedades da magnetita à
existência de umidade no ferro, da qual a secura da magnetita (ímã) se alimentava. A idéia
13
dos ímãs se alimentarem da umidade do ferro era também uma superstição, já se pensava em
dois elementos: a umidade e a secura que representariam dois elementos opostos que se
complementariam como os pólos norte e sul. O poder que o ferro magnetizado possui de atrair
e repelir pedaços de ferros também era conhecido por Platão (428/7 a.C – 348/7 a.C) e Tito
Lucretius Caro (99 a.C – 55 a.C) que provavelmente estariam entre os primeiros a perceber
que os materiais magnéticos poderiam também se repelir; tais fatos aguardavam a elaboração
de um conceito de pólo magnético para uma melhor explicação. (BASSALO, 1996, p. 26)
A primeira aplicação tecnológica magnética é a bússola; o período e o lugar de seu
surgimento é assunto de disputa entre historiadores. Segundo Bassalo (1996) provavelmente o
lugar foi a China, por volta do ano 215 a.C. e segundo Pavan (2000), afirma que a bússola foi
introduzida na China em algum tempo entre 2637 a.C e 1100 d.C, e os pioneiros na sua
utilização foram os Árabes. Entretanto todos concordam que a bússola era certamente
conhecida no oeste da Europa por volta do século XII, pois a primeira referência sobre a sua
utilização foi feita por Alexander Neckma (1157-1217).
1.2 Idade Média (476 – 1453)
Na Idade Média, Petrus Peregrinus (1240 – ?), engenheiro militar francês, produziu
uma obra intitulada Epístola de Magnete, onde relata experiências com o magnetismo, talvez
este seja o primeiro trabalho, da qual temos notícias, que buscava explicar os fenômenos
elétricos e magnéticos. Peregrinus não fazia, porém, distinção entre os diferentes tipos de
atração: a magnética e a elétrica. Essa obra permaneceu ignorada até meados do século XVI.
Em 1269, Peregrinus fez experiências com uma magnetita esférica, colocando pedaços de ímã
em várias regiões e traçou as linhas de campo magnético que se interceptavam em dois
pontos. Estes pontos foram chamados de pólos do ímã, como analogia aos pólos geográficos
da terra, sendo que o pólo sul de um imã aponta aproximadamente para o pólo norte do
planeta. (BASSALO, 1996, p. 45; PAVAN, 2000)
De acordo com Bassalo (1996), no mesmo ano, Peregrinus em uma carta a um
amigo, descreve a maioria das experiências elementares sobre magnetismo, que aparecem até
hoje nos livros escolares de ciências, foi ele quem determinou o pólo norte e o pólo sul, das
extremidades do ímã, baseando-se na orientação natural da bússola. Ele também observou que
a agulha da bússola não apontava exatamente para o norte geográfico da terra devido o norte
14
da bússola apontar para o sul geográfico da terra. Ainda nesta perspectiva tem-se as
descoberta dos seguintes elementos:
•
aproximando-se dois ímãs pelos seus pólos de mesmo nome, eles se repelem;
•
aproximando-se pelos pólos opostos, eles se atraem;
•
um imã, partido matém a polaridade do imã original;
•
cada divisão de um ímã faz surgirem outros ímãs, em outras palavras, não
existe monopólo magnético.
Peregrinus acreditava que a bipolaridade estivesse ligada a todo o universo, o ímã
trazendo em si "a semelhança do céu". Petrus permaneceu praticamente desconhecido por
mais de trezentos anos.
1.3 Idade Moderna (1453 – 1789)
Dos filósofos naturais que estudaram o magnetismo, o que mais se destacou foi o
Willian Gilbert de Colchester (1544 – 1603), chamado como “Pai do Eletromagnetismo”, pois
este sintetizou as teorias do assunto, e reuniu suas conclusões no livro De Magnete, um dos
primeiros clássicos da literatura científica. Gilbert sabia que os antigos navegadores já
relatavam que os raios desviavam as agulhas das bússolas, porém propôs que ambos seriam
efeitos distintos apesar de provocarem atração e repulsão. Ele idealizou a experiência de
Peregrinus com a magnetita esférica como sendo um modelo atual da Terra e assim foi o
primeiro a afirmar que a Terra é um imã, ou seja, que a Terra possui um campo magnético
próprio e também descobriu a imantação por indução.
15
1.4 Surgimento da eletricidade (séc. XV - XVIII)
1.4.1 Idade Moderna (1453 – 1789)
Por volta de 1570, um inglês chamado William Gilbert (1544 – 1603), físico, médico
e pesquisador no campo do magnetismo e eletricidade, passou a se interessar pelo ímã e logo
depois pelo âmbar. Ele já conhecia as propriedades do ímã o que já lhe intrigava muito e
depois passou a se perguntar: “por que o âmbar atraía objetos depois de friccionado ?”, “Que
haveria de especial nele ?” Gilbert, não ignorava que o âmbar era chamado de “elektron” em
grego, e de “electrum”, em latim. Por isso chamou todas as substâncias que tinham a
capacidade de atrair coisas depois de friccionadas de “elétricas”. Usou a palavra para mostrar
que tinham a mesma propriedade do âmbar. Por volta de 1650 um inglês, médico e escritor,
de nome Walter Charleton (1619 – 1707) chamou-a de “eletricidade”.
Na mesma época, um físico alemão chamado de Otto Von Guericke (1602 - 1686),
que se notabilizou pelo estudo do vácuo e da eletrostática, friccionou um pedaço de âmbar
com um pano o máximo que pôde e quando o pressionava entre os dedos, ouvia pequenos
estalos. Se o fizesse na escuridão percebia uma pequena fagulha de luz a cada estalo. Não
satisfeito, Guericke usou em 1672, uma substância amarela chamada enxofre, que era uma
substância que atraía objetos leves quando friccionada. Ele pegou uma grande quantidade de
enxofre e os colocou num frasco redondo de vidro e o aqueceu derretendo o enxofre. Foi
adicionando mais e mais enxofre, até que o frasco ficou cheio. Então atravessou o enxofre
com uma manivela de madeira e o deixou esfriar. O enxofre endureceu, formando uma sólida
bola amarela e a colocou num suporte de madeira. Podia girá-la usando a manivela. Se
pusesse a outra mão sobre a bola de enxofre enquanto girasse a fricção a encheria de
eletricidade. A bola de enxofre provocava altos estalos quando “carregada”, provocava
fagulhas brilhantes, visíveis mesmo à luz do dia. (BASSALO, 1996, p. 45)
Em 1629, o físico italiano Niccolo Cabeo (1586 – 1650), publicou o livro intitulado
Philophia magnetica in qua magnetis natura penitus explicatur, et omnium quae hoc
lapide cernuntur, cuasae propriae afferentur, no qual registrou, talvez pela primeira
vez, o fenômeno da repulsão elétrica entre corpos eletrizados. (BASSALO, 1996, p.
121)
16
Em 1736 o cientista Stephen Gray (1679 – 1736) friccionou um tubo longo e oco de
vidro com mais ou menos um metro de comprimento. O tubo atraiu penas, mostrando que a
eletricidade havia penetrado nele. Depois vedou o tubo com rolhas de cortiça e então notou
um fato estranho: as penas eram atraídas para as rolhas também. Então introduziu a ponta de
uma vareta de uns dez centímetros de comprimento numa das rolhas do tubo. A outra ponta da
vareta foi presa a uma bola de marfim, depois, friccionou somente o vidro. Trabalhou com
cuidado, evitando tocar na rolha, na vareta ou na bola de marfim e as penas agarraram-se à
bola de marfim, ao ser friccionado o tubo. Não havia engano: o cientista inglês descobriu que
era possível transferir para outros corpos a eletricidade produzidas no vidro, por atrito, através
de um grupo de materiais.
Stephen Gray concluiu que era capaz de transferir a carga elétrica de um bastão de
vidro para uma bola de marfim pendurada por um barbante e também observou que a
transferência de carga não ocorria se a bola fosse pendurada por um fio metálico. Portanto
percebeu que o metal “levava embora” o fluido (cargas) e concluiu que existem substâncias
condutoras, que são os metais e soluções iônicas, que permitem o fluxo livre do fluido e os
isolantes que não permitem esse fluxo de fluido. Logo Gray foi o descobridor da eletrização
por indução e dava preferência à eletrização em corpos metálicos. (BASSALO, 1996, p. 298299 pass.)
Após a experiência de Gray que mostrava que podia produzir e armazenar a
eletricidade, surgiram outras propriedades interessantes. William Watson (1715-1787),
médico e cientista, conseguiu transmitir a eletricidade por mais de 3 km e admitiu que a
transmissão fosse instantânea.
No mesmo período, Benjamim Franklin (1706 - 1790) ficou conhecido
internacionalmente por descobertas feitas sobre a eletricidade através da sua experiência
altamente perigosa. Fez uma pipa e com um objeto de ferro preso a ela fez voar durante uma
tempestade, induzindo uma descarga elétrica a acertar a pipa. Esse experimento levou-o a
provar que o relâmpago é um fenômeno elétrico, e posteriormente a criação do pára-raios, foi
quem criou a terminologia de que cargas positivas e negativas e também disse que cargas de
mesmo sinal se repelem e cargas de sinais opostos se atraem.
Em 1759, o físico russo Franz Maria Ulrich Theodor Hoch Aepinus (1724 – 1802)
publicou o livro intitulado Tentamen Theoriae Electricitatis et Magnetismi (Uma
17
Tentativa Teórica da Eletricidade e Magnetismo), considerado como sendo o
primeiro trabalho sobre a aplicação da matemática para explicar a eletricidade e
magnetismo. Com efeito, nesse livro, Aepinus usou a teoria de um fluido elétrico
desenvolvida por Franklin, entre 1747 e 1748, para explicar as propriedades
magnéticas dos “pólos” dos ímãs se deviam a falta ou excesso de um fluido
magnético, cujas partículas repeliam uma a outra, assim como atraíam partículas de
ferro e aço. Ainda nesse livro Aepinus afirmou que o magnetismo permanente do
ímã era devido ao emaranhamento desse fluído nos poros desse mesmo ímã, e que a
indução elétrica nos isolantes era mais fraca do que nos condutores. (BASSALO,
1996, p. 303-304 pass.)
Luigi Galvani (1737 - 1798) médico, investigador e professor de anatomia, descobriu
a corrente elétrica, mas foi em 1800 que o físico italiano Alessandro Giuseppe Antônio
Anastásio Volta (1745 – 1827), apaixonado por assuntos sobre eletricidade, desenvolveu a
pilha voltaica, provando a Galvani, seu amigo, que a corrente elétrica não estava nos seres
vivos. Nessas experiências, idealizou uma série de recipientes contendo salmoura, nos quais
mergulhou placas de zinco e cobre e, ao ligá-las através de arcos metálicos, conseguiu
produzir uma corrente elétrica contínua. (BASSALO, 1996, p. 308-309 pass.)
1.5 Os primeiros indícios da relação entre eletricidade e magnetismo
1.5.1 Século XIX
A existência de forças naturais de origem elétrica e magnética fora observada em
contextos históricos independentes, mas só na primeira metade do século XIX um grupo de
pesquisadores conseguiu unificar os dois campos de estudo e assentar os alicerces de uma
nova concepção da estrutura física dos corpos.
Depois da publicação do livro Epistola de Magnete, pouco foi acrescentado ao
estudo do magnetismo. Até o inicio do século XIX, havia indícios de que, mesmo vistos como
fenômenos diferentes, a eletricidade e o magnetismo se relacionavam de alguma forma. A
descoberta da relação, porém, só veio a ocorrer depois do aparecimento da pilha, que oferecia
uma fonte mais duradoura de eletricidade, permitindo o aprofundamento do seu estudo. Um
dos primeiros a descobrir e a publicar as relações entre corrente elétrica e o magnetismo foi
um jurista e economista italiano, Gian Domenico Romagnosi (1761 – 1835) que em 1802
18
afirmou que um fio conectado a uma pilha provocava um desvio na agulha de uma bússola
que estivesse próxima. No entanto essa notícia não recebeu o crédito que lhe era devido.
No final do século XVIII um engenheiro de nome Charles Augustin de Coulomb
(1736 – 1806) e um físico-químico Henry Cavendish (1731 – 1810) haviam determinado as
leis empíricas que regiam o comportamento das substâncias eletricamente carregadas e o dos
ímãs. Coulomb também publicou sete tratados sobre a eletricidade e magnetismo e
estabeleceu a relação entre força elétrica, quantidade de carga e distância através do método
de força de torção.
Embora a similaridade entre as características dos dois fenômenos indicasse uma
possível relação entre eles, só em 1820 se obteve prova experimental dessa relação, quando o
físico e químico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777 - 1851), durante uma aula de
eletricidade na Universidade de Copenhague aproximou uma bússola de um fio de arame que
unia os dois pólos de uma pilha elétrica. Ele descobriu que a agulha imantada da bússola
deixava de apontar para o norte, orientando-se para uma direção perpendicular ao arame.
(BASSALO, 1996, p. 311-312 pass.)
Após a divulgação do trabalho de Oersted, a reação mais comum dos físicos foi de
incredulidade perante o fenômeno. Não porque fosse incrível uma relação entre eletricidade e
magnetismo, pelo contrário, isso era perfeitamente aceitável. O que não se podia conceber era
aquele campo magnético circulando em torno do fio.
Entre os vários efeitos que essa reação produziu, pode-se citar a própria direção
tomada pelos trabalhos do físico e matemático André Marie Ampére (1775 - 1836). Achando
absurda a teoria de Oersted, Ampère procurou reduzir o eletromagnetismo à eletrodinâmica,
tomando como fenômeno básico a interação entre correntes, e explicando o magnetismo como
efeito secundário de correntes circulares. Na opinião de Ampère, a grande vantagem dessa
abordagem é que as forças entre correntes elétricas são de simples atração e repulsão,
desaparecendo a quebra de simetria, pois o próprio ímã se torna sede de um fenômeno de
rotação que permite explicar o sentido do deslocamento da bússola. Ampère procurou banir
da física o conceito de campo magnético o que, em geral, não era conhecido. (BASSALO,
1996, p. 313)
19
Em 1825, Ampère preparou um trabalho intitulado Mémoria sobre a Teoria dos
Fenômenos Eletrodinâmicos Unicamente deduzidas da Experiência, no qual registrou novas
experiências realizadas sobre o efeito magnético da corrente elétrica, obtendo resultados
importantes como, por exemplo, a ação do campo magnético terrestre sobre as correntes
elétricas. Para medir tal efeito, construiu um aparelho baseado na deflexão da agulha
magnética, denominando-o galvanômetro. Por outro lado, para indicar a direção que tomaria
uma agulha imantada colocada nas proximidades de um fio condutor, Ampère idealizou uma
regra, hoje, conhecida como regra da mão direita de Ampère. Então assim, Ampère foi
desenvolvendo a cada semana um trabalho sobre suas pesquisas e logo fundou e batizou a
eletrodinâmica, que hoje chamamos eletromagnetismo. Formulou a Lei de Ampère, que
descreve matematicamente a força magnética entre correntes elétricas. (BASSALO, 1996, p.
313,8)
Os efeitos magnéticos das correntes elétricas agora forneciam meios para se medir
suas intensidades e em 1826, o físico matemático Georg Simon Ohm (1787 - 1854) usou estes
fatos para separar os conceitos de força eletromotriz, gradiente de potencial e de intensidade
de corrente elétrica e derivou a lei que leva seu nome e que estabelece a proporcionalidade
entre a diferença de potencial em um condutor e a corrente elétrica produzida. O fator de
proporcionalidade representa a resistência do material. Provou também que a resistência de
um fio é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional a sua
seção reta, criando assim a base para o conceito de condutividade dos materiais. (BASSALO,
1996, p. 317,9)
Em 30 de outubro de 1820, os físicos Jean Baptiste Biot (1774 – 1862) e Félix Savart
(1791 – 1841), anunciaram a descoberta experimental que fizeram sobre a lei que permite
calcular a intensidade do campo magnético criado por uma corrente elétrica que circula em
um fio condutor. (BASSALO, 1996, p.313)
Em 1813, o matemático e físico alemão Johann Friedrich Karl Gauss (1777 - 1855),
que publicou seu famoso trabalho no qual demonstrou um teorema envolvendo integrais de
superfície e de volume, segundo o qual, diz que, o fluxo de um vetor através de uma
superfície que envolve um determinado volume pode ser calculado através da integral de
volume da divergência daquele vetor, esse teorema ficou conhecido como teorema da
divergência. Em 1830, Gauss desenvolveu sua teoria do campo magnético terrestre na qual
20
considerou o pólo magnético norte (boreal) da terra como situado no arquipélago chamado
Passo do Noroeste e em 1832, formulou um sistema de unidades magnéticas, a partir de
unidades mecânicas, também incluiu a lei de Coulomb um tratamento matemático geral da lei
do inverso do quadrado da distancia.
1.6 A unificação da eletricidade com o magnetismo
“O matemático italiano Girolano Gardano (1501 – 1576) foi um dos primeiros
cientistas a fazer diferença entre os fenômenos elétricos e magnéticos”. (BASSALO, 1996, p.
119)
Surge Michael Faraday (1791-1867), então, aquele que se tornaria o maior físico
experimental em eletricidade e magnetismo do século XIX. Faraday realizou uma série de
experiências que o levaram a apresentar a seguinte idéia: - “Se a corrente elétrica atua em um
ímã, então este deve produzir uma reação nessa mesma corrente”, e em 1831 enrolou duas
espiras de fio em torno de um anel de ferro e observou que a corrente exercia uma ação para
trás que correspondia a sua ação magnética. Quando ele criou uma corrente elétrica na
primeira espira, um pulso de corrente surgiu na segunda espira no instante em que o circuito
foi fechado, e novamente quando o circuito foi aberto, porém no sentido contrário. Assim esta
ligação entre campo magnético e campo elétrico produzido é hoje chamada de Lei de Indução
de Faraday. (BASSALO, 1996, p. 119)
Pouco depois de Faraday propor a lei da indução, Heinrich Friedrich Emil Lenz
(1804-1865) inventou uma regra o qual acabava com alguns problemas de direção da corrente
induzida: “a corrente induzida em uma espira tem um sentido tal que o campo magnético
produzido pela corrente se opõe ao campo magnético que induz a corrente”. Que em 1833
ficou conhecida como “Lei de Lenz”. Observa-se que para chegar a esse resultado, Lenz
utilizou as ações mecânicas entre os circuitos, e analisou-as por intermédio das leis da
Mecânica. Ainda como resultado dessas experiências, Lenz descobriu que a resistência de um
fio metálico variava com a temperatura. (BASSALO, 1996, p. 324)
O edifício teórico do eletromagnetismo, base de todos os desenvolvimentos da
eletrotécnica, foi definitivamente estabelecido em 1873 pelas mãos do físico e matemático
britânico James Clerk Maxwell (1831-1879), no qual deu forma final à teoria moderna do
21
eletromagnetismo, que une a eletricidade, o magnetismo e a óptica. Maxwell une as
descobertas de Coulomb, Oersted, Gauss, Ampére e Faraday, entre outros fisicos, em quatro
equações matemáticas, chamadas posteriormente de Equações de Maxwell, que sintetizaram
essa área do saber.
22
2. AS EQUAÇÕES DE MAXWELL
Estudamos diversos aspectos dos campos elétricos e magnéticos. Quando os campos
não variam com o tempo, como no caso de campos elétricos produzidos por cargas em
repouso ou de campos magnéticos gerados por correntes estacionárias, podemos analisar os
campos elétricos e magnéticos separadamente sem considerar as interações entres esses
campos. Porém, quando ocorrem variações temporais, eles deixam de ser independentes. Essa
interação envolvendo todas as relações entre campos elétricos e campos magnéticos é
sintetizada completamente pelas quatro equações de Maxwell, A Lei de Gauss para
eletricidade, Lei de Gauss para o magnetismo, Lei de Faraday e a Lei de Ampère-Maxwell.
Faremos uma observação que, Maxwell não descobriu essas quatros equações, porém as
reuniu e explicou o significado delas, particularmente ao prever a existência de ondas
eletromagnéticas.
2.1. A lei de Gauss para o Campo Elétrico
A lei de Gauss para eletricidade relaciona o fluxo total de um Campo Elétrico através
de uma superfície fechada (superfície Gaussiana) à carga total q que é envolvida por esta
superfície. Porém, para entendermos a essência de Lei de Gauss para o Campo Elétrico, temos
que entender o conceito de Campo Elétrico e Fluxo de um Campo Elétrico.
Para entendermos o conceito de Campo Elétrico, vamos considerar uma carga
elétrica positiva (q), fixada em um dado ponto do espaço. Caso outra carga elétrica ( q0 ) seja
colocada na região da carga (q), qualquer que seja a distância entre elas, haverá uma interação
entre as cargas, onde essa interação é devido à força eletrostática. A força eletrostática é
atribuída ao campo elétrico produzido pela carga (q), como ilustra a figura 1.
23
Figura 1: Uma carga q interagindo com uma carga q0
Fonte: Physics for Scientists and Enginees. Serway Raymond A. pg. 717
O cientista Michael Faraday introduziu a idéia de linhas de força. Ele imaginava que
o espaço na vizinhança de um corpo eletricamente carregado era ocupado por linhas de forças,
hoje conhecidas como linha de Campo Elétrico. Em cada ponto em torno do corpo
eletricamente carregado teriam linhas que tem a mesma direção e mesmo sentido do vetor
Campo Elétrico. Se imaginarmos certa quantidade de linhas de Campo passando por uma
determinada área (por exemplo, um quadrado), temos a idéia de Fluxo Elétrico.
Devemos salientar que o campo elétrico é um campo vetorial, constituído por uma
distribuição de vetores, um para cada ponto de uma região em torno de um objeto
eletricamente carregado.
Usando a definição de Fluxo e Campo Elétrico, podemos escrever a Lei de Gauss
para o Campo Elétrico como:
E.da =
s
qtotal
ε0
(2.1)
Onde E é o vetor campo elétrico, da é o vetor do elemento de área, qtotal é a carga
total envolvida pela superfície e ε 0 é a permissividade do meio (o quanto o meio afeta o
campo elétrico), nesse caso no vácuo.
A unidade de Campo Elétrico no Sistema Internacional é o Newton por Coulomb
(N/C). Existe também outra unidade, volt por metro (V/m).
24
2.2
A lei de Gauss para Campo Magnético
Tal qual o campo elétrico, o campo magnético é um campo vetorial, relacionando o
fluxo magnético às cargas magnéticas envolvidas. Definimos o fluxo magnético Φ B através
de uma superfície de modo análogo a descrição do fluxo elétrico relacionando com a lei de
Gauss. Podemos dividir qualquer superfície em elementos de área da . Para cada elemento
determinamos B⊥ , o componente de B normal à superfície de elemento, temos B⊥ = B cos φ .
Em geral esse componente varia sobre a superfície.
Na lei de Gauss, o fluxo elétrico total através de uma superfície fechada é
proporcional a carga elétrica total existente no interior da superfície. Por exemplo, quando a
superfície fechada engloba um dipolo elétrico, como indicado na figura 2, o fluxo total é zero
porque a carga total é igual a zero. Por analogia, o fluxo magnético total através de uma
superfície fechada seria proporcional à carga magnética no interior da superfície fechada,
como na figura 3. Conclui-se então que o fluxo magnético total através de uma superfície
fechada e sempre igual a zero.
Figura 2: Linhas de campo elétrico de um dipólo elétrico
Fonte: Physics for Scientists and Enginees. Serway
Raymond A. pg. 942
Figura 3: Linhas de campo magnético de um ímã.
Fonte: Physics for Scientists and Enginees.
Serway Raymond A. pg. 942
B.da = 0
(2.2)
Onde B é o vetor campo magnético, da é o vetor do elemento de área.
A unidade do Campo Magnético no Sistema Internacional é o Newton por Coulomb metro por segundo. Por conveniência, esta unidade é chamada de tesla (T ) , também pode ser
chamada de Gauss (G).
25
2.3
Lei de Ampère
É possível de um modo mais prático determinar um campo magnético total
produzido por qualquer distribuição de correntes. Entretanto, se a distribuição possuir algum
tipo de simetria, a lei que nos permite fazer isso, é a Lei de Ampère. A lei não é formulada em
termos de um fluxo magnético, mas definida com base em uma integral de linha de B em
torno de uma trajetória fechada, como na figura 4. Para generalizá-la ainda mais, considere
diversos fios retilíneos longos que passam na área delimitada pelo percurso de integração.
Portanto, podemos substituir I por I total , a corrente total dada pela soma algébrica das
correntes no interior pelo percurso de integração, enunciando a Lei de Ampère é:
Figura 4: Percurso para a integral de linha de B ao redor de um condutor retilíneo.
Fonte:
B.dl = µ 0 .I total
(2.3)
Onde B é o vetor campo magnético, dl é o vetor do elemento de linha, µ 0 é a
permeabilidade do material (grau de magnetização) e I total é a corrente total envolvida pelo
percurso de integração.
2.4
Lei de Faraday
A lei de indução, fenômeno comum em todos os efeitos de indução, é a variação do
fluxo magnético através de um circuito. Faraday percebeu que uma força eletromotriz e uma
corrente são induzidas em uma espira, fazendo variar a quantidade de campo magnético que
atravessa a espira, como na figura 5. Percebeu ainda que a quantidade de campo magnético
possa ser visualizada em termos das linhas de campo magnético que atravessam a espira.
26
Figura 5: Um ímã aproximando-se de um solenóide ligado à um amperímetro.
Fonte: Physics for Scientists and Enginees. Serway Raymond A. pg. 979
Para aplicar a lei de Faraday a problemas particulares, precisamos saber calcular a
quantidade de campo magnético, que atravessa uma espira, e também calcular a quantidade de
campo elétrico, que a travessa a superfície. Usando a definição de fluxo magnético, podemos
enunciar a Lei de Faraday.
A força eletromotriz (fem) induzida se opõe a variação de fluxo, de modo que,
matematicamente, a lei de Faraday pode ser escrita na forma:
ε =−
dΦ B
dt
(2.4)
dΦ B
é a taxa de variação do fluxo magnético em relação ao tempo e ε é a
dt
força eletromotriz induzida.
Onde
Mas para entendermos o sinal, precisa-se entender que, quando o fluxo está
aumentando, é positivo, então a fem induzida ou a corrente é negativa; quando o fluxo esta
diminuindo, é negativo e a fem induzida ou a corrente é positiva.
Para uma forma mais abrangente da Lei de Faraday, supomos que para uma corrente
em um anel de cobre, deve haver um campo elétrico para colocar os elétrons de condução em
movimento. Este campo elétrico induzido E , produzido pela variação do fluxo magnético, é
então real quanto o campo elétrico produzido por cargas estáticas; os dois tipos de campos
exercem uma força elétrica ( F = qE ) em uma partícula de carga q0 . Por esse raciocínio somos
levados a um enunciado mais geral da Lei de Faraday.
27
2.4.1 Um Campo Magnético variável produz um Campo Elétrico
A figura 6 ilustra um anel submetido em um campo magnético variável gerando um
campo elétrico induzido. O trabalho W realizado pelo campo elétrico induzido sobre as
cargas do anel em revolução é W = ε .q0 e, portanto, este é o trabalho realizado pela carga
para realizar essa trajetória. Entretanto, por definição, o trabalho também é dado por:
Figura 6: um anel mergulhado em um campo magnético variável.
Fonte: Physics for Scientists and Enginees. Serway Raymond A. pg. 981
W = F .dl
(2.5)
O círculo nos sinais de integral indicam que a integral deve ser calculada para uma
curva fechada. Substituindo o W por εq0 , temos:
ε = E.dl
(2.6)
Já que a equação acima permite expandir o significado da força eletromotriz
induzida, até agora, a força eletromotriz induzida era vista como trabalho por unidade de
carga necessária para manter a corrente produzida pela variação de um campo magnético ou
pelo trabalho por unidade de carga executado sobre uma partícula carregada que se move em
uma região onde existe um fluxo magnético variável. Entretanto pode existir uma força
eletromotriz induzida sem necessidade de que haja uma corrente ou uma partícula: a força
eletromotriz induzida é a soma (por integração) do produto escalar E.dl ao longo de uma
curva fechada, onde E é o campo elétrico induzido pela variação do fluxo magnético e dl é o
elemento de comprimento ao longo da curva.
Combinando as equações as equações (2.4) e (2.6) obtemos uma nova expressão para
a lei de Faraday:
28
E.dl = −
dΦ B
dt
(2.7)
A nova equação, Lei de Faraday, pode ser aplicada a qualquer curva fechada que
possa ser traçada em uma região onde existe um campo magnético variável.
29
3. APLICAÇÕES TECNOLOGIAS DO ELETROMAGNETISMO
As descobertas no campo da eletricidade dos primeiros anos do século XIX levaram
à invenção de uma quantidade de aparelhos úteis. Assim como as primeiras máquinas a vapor,
essas invenções baseavam-se mais na observação e no conhecimento prático do que na
compreensão verdadeira da teoria. A teoria veio mais tarde, fornecendo uma visão mais
profunda, que levou a grandes melhoramentos nos aparelhos elétricos e a um fantástico
aumento do número de tarefas que a eletricidade podia realizar.
As aplicações do eletromagnetismo revolucionaram toda a tecnologia industrial.
Iluminação, transportes, computação, entretenimento, funcionam com base na energia
elétrica, na “fada eletricidade”, como foi chamada no início deste século. Ondas
eletromagnéticas (rádio, radar, televisão) são empregadas em todos os nossos sistemas de
comunicação. (NUSSENZVEIG, 2003)
3.1 Telégrafos
Antigamente eram usados diferentes sistemas para comunicação, desde sinais de
fumaça a comunicação feita com materiais que refletiam a luz do sol. A partir do final do
século XIX, surge um método mais seguro, vantajoso e econômico para a comunicação, o
Telégrafo, um aparato que transmite mensagens codificadas em largas distâncias mediante
impulsos elétricos que circulam através de cabos condutores.
O Telégrafo foi a invenção que mais ajudou o eletromagnetismo a se desenvolver.
Muitos cientistas trabalharam com o telégrafo, entre eles: Wilhelm Weber, Karl Friedrich
Gauss, Werner von Siemens, Charles Wheatstone e Samuel Finley Breese Morse, cada um
criando seu tipo de telégrafo.
30
Temos que ressaltar que ao longo dos anos surgiram vários tipos de telégrafos,
porém, todos com um único objetivo: a comunicação, seja ela direta ou codificada. Daremos
ênfase ao telégrafo de Morse (ilustrado pela figura 7), tecnologia que foi muito usada em
guerras, que serviu de aparelho de comunicação entre as tropas militares.
Fígura 7: Telégrafo de Morse.
Fonte:www.kalipedia.com/tecnologia/tema/telegrafomorse
3.1.1 Fundamentação teórica do telegrafo de Morse
Em 1832, Samuel F. B. Morse, artista americano, retornava da Europa em um navio
paquete. Tinha lido uma publicação recente de Faraday sobre o eletromagnetismo e fez planos
para construir um instrumento telegráfico de gravação. Três anos mais tarde, construiu um
modelo experimental baseado no famoso código de pontos e traços que ainda hoje leva seu
nome. Os pontos e os traços distinguiam-se por 'largura' de pulsos de corrente, longos e
curtos. Um ponto correspondia a um pulso de duração de cerca de 1/24 de segundo; os traços
eram cerca de três vezes mais longos, como ilustra a figura 8.
Figura 8: Pontos e Traços do código de Morse.
Fonte: www.feiradeciencias.com.br
As partes principais do telégrafo de Morse como ilustrado pela figura 9 são:
31
• o aparelho transmissor, constituído de um interruptor por meio do qual, baixandose uma tecla, pode-se fechar o circuito da corrente;
• o aparelho receptor, constituído de um eletroímã, cujo enrolamento é percorrido
pela corrente elétrica, e de uma alavanca, que traz numa das extremidades uma
âncora, situada diante do núcleo do imã, e na outra extremidade uma ponta, sob a
qual corre uma tira de papel envolta num vidro;
• uma bateria de pilhas para fornecer a corrente.
Figura 9: Esquema de funcionamento do telégrafo de Morse.
Fonte: www.feiradeciencias.com.br
O fio da linha sustentado por postes telegráficos nos quais está fixado por meio de
isoladores de porcelana ou de vidro. Para transmitir um telegrama aperta-se a tecla do
transmissor: a corrente do circuito passa através do fio do eletroímã do receptor, que se
magnetiza, atrai a âncora e aproxima a ponta da alavanca da fita de papel que corre debaixo
dela. Esta ponta imprimindo sobre o papel, assinala um ponto se o contato do transmissor for
instantâneo e uma linha, se o contato for prolongado. Por meio de pontos e linhas, pode-se
formar um alfabeto convencional.
O coração do aparelho de recepção de Morse era um eletroímã que fazia um lápis
deslocar-se quando recebia o pulso de uma corrente elétrica. O lápis estava em contato com
um rolo de papel em deslocamento e traçava uma linha reta sobre o papel, quando nenhum
sinal estava sendo recebido. Recebendo uma corrente, o lápis deslocava-se para o lado,
voltando à posição neutra quando a corrente caía à zero. Dessa maneira, uma seqüência em
32
que a corrente era ligada e desligada ocasionava um traçado. Se a corrente permanecesse
ligada por 1/24 do segundo, um “ponto” era traçado pelo lápis. Se ficasse ligada durante 3/24
do segundo, era desenhado um “traço”. O telégrafo gravador de Morse provia, assim, um
registro permanente das mensagens, que mais tarde podiam ser decodificadas.
3.1.2 Contribuições para sociedade
Após sua invenção a rede de telégrafo cruzou os oceanos a cada continente, fazendo
de imediato uma comunicação global pela primeira vez. Seu desenvolvimento permitiu que os
jornais cobrissem eventos significativos do mundo em tempo real próximo.
O operador telegráfico Morse foi uma parte indispensável do cenário mundial
durante mais de meio século. Até ser deslocado pelas máquinas automáticas modernas, ele
desempenhou uma grande função nos tempos de guerras fazendo comunicações de
informações sigilosas entre tropas militares, e também foi vital para o crescimento de uma
nação. Podia transmitir e receber até quarenta palavras por minuto, hora após hora, com um
staccato (separador de notas) de ruídos intermitentes. Sua habilidade, ao lado do telégrafo de
Morse, tornará realidade o sonho das comunicações a longa distância.
3.2 Trem bala (MagLev)
Engarrafamento em rodovias e estradas, congestionamentos e atrasos em aeroportos
tornam-se cada vez mais freqüentes, porém, os aviões ainda propiciam a maneira mais rápida
de viajar centenas ou milhares de quilômetros. A viagem aérea revolucionou a indústria de
transporte no ultimo século, permitindo que pessoas percorram grandes distancias em uma
questão de horas em vez de dias ou semanas.
As únicas alternativas ao invés de aviões hoje são: andar a pé, carro, ônibus, barco e
trem convencional. Estes meios são muito lentos para a sociedade apressada de hoje.
Entretanto, há uma forma que pode revolucionar o transporte do século XXI da mesma
maneira que os aviões fizeram no século XX.
Alguns países estão usando uma nova tecnologia para desenvolver trens de alta
velocidade e com um custo menor que os trens usuais, chamados trens maglev. O maglev é
33
um trem que funciona através da levitação magnética, o que significa que esses trens vão
levitar sobre um trilho usando os princípios básicos dos ímãs para substituir as antigas rodas
de aço e trens de trilhos.
3.2.1 Fundamentação teórica do trem bala
Hoje, existem vários protótipos de trens maglev construídos, trens que utilizam idéias
diferentes para conseguir a levitação magnética. Existem três principais métodos para se
conseguir à levitação magnética de trens:
•
levitação por repulsão magnética: utiliza bobinas supercondutoras, sistema
implantado principalmente nos protótipos japoneses.
•
levitação por atração magnética: usa-se potentes eletroímãs, sistema adotado
nos protótipos alemães.
•
levitação por indução magnética: usa-se ímãs permanentes, sistema recente
pesquisado pelos americanos.
3.2.1.1 Levitação por atração magnética
Surgido na década de 70, os trens Maglevs alemães, denominados Transrapid,
adotaram o sistema de atração magnética para a levitação dos trens. É usada a força de atração
entre os eletroímãs, controlados individualmente e eletronicamente, localizados no veículo e
as barras ferromagnéticas localizadas abaixo das guias dos trilhos, como ilustra as figuras 10 e
11. Existem três princípios básicos para o funcionamento do trem de levitação por atração
magnética.
1. Princípio da levitação magnética: fará que o trem levite sobre o trilho.
2. Princípio da orientação lateral: manterá o trem centrado no trilho para que não haja
movimentos bruscos na horizontal.
3. Princípio da propulsão: dará aceleração ao trem, fazendo com que ele ganhe
velocidade ao longo do percurso.
34
Figura 10: Princípio da Levitação por Atração Magnética
Fonte: www.transrapid-international.de/english/welt.html
Figura 11: Modelo do trem alemão denominado Transrapid.
Fonte: www.transrapid-international.de/english/welt.html
3.2.1.2 Princípio da levitação magnética
No veículo existe um suporte onde se localizam os eletroímãs, encurvado para baixo
dos trilhos e exercendo nas barras ferromagnéticas uma força de atração pelos eletroímãs que
darão sustentação, levitando o veículo. O sistema de levitação é fornecido por baterias de
bordo e, portanto, independente do sistema de propulsão. O veículo é capaz de pairar acima
de uma hora sem energia externa. Ao viajar, as baterias de bordo são recarregadas pelos
geradores lineares integrados no suporte ímãs Guidance magnet (ímã de orientação) e
Guidance rail (ferroviário de orientação), conforme ilustrado pela figura 12.
35
Figura 12: Princípio da Levitação Magnética.
Fonte:
3.2.1.3 Princípio da orientação lateral
O veículo possui um conjunto de eletroímãs e guias laterais, que controlam o
movimento transversal, deixando-o sempre centrado no trilho (Figura 13). O suporte, assim
como os guias laterais, existe em ambos os lados do veículo e por todo o seu comprimento.
Entre o suporte e os trilhos, a distância é de 10 mm, controlados eletronicamente e, entre o
trilho e a parte inferior do veículo de 150 mm, o que possibilita passar por cima de pequenos
objetos ou camadas de neve.
Figura 13: Princípio da Orientação Lateral.
Fonte: www.transrapid-international.de/english/welt.html
3.2.1.4 Princípio da propulsão
O sistema de propulsão (Figura 13) usado é o motor linear que é colocado ao longo
de todo o veículo. Este pode tanto ser usado como sistema de propulsão como sistema de
freios do veículo. O motor linear nada mais é do que o motor elétrico, consistindo de rotor
36
(mecanismo giratório), localizado nos trilhos e o estator (parte estacionária que fica ao redor
do rotor), localizado no veículo.
Dentro do enrolamento do motor, corrente alternada está gerando um campo
magnético que viajam move o veículo. O sistema de propulsão do trilho é ativado somente na
seção em que o veículo passa, a velocidade pode ser continuamente regulada através da
variação da freqüência da corrente alternada. Se a direção do campo que viaja é invertida, o
motor torna-se um gerador que freia o veículo sem qualquer contato. A energia de frenagem
pode ser reutilizada e alimenta a rede elétrica do trem.
3.2.2 Sistema de controle
O sistema de controle é responsável por todo o funcionamento do trem bala, assim
garantindo a segurança do sistema Transrapid (trem bala). Ele é responsável pela aceleração,
velocidade, frenagem do trem, também controla a passagem de corrente ao longo do trilho e
ativa os trechos por onde o trem passa, entre outros sistemas. A comunicação entre o veículo e
central de comando será feita através de um sistema de rádio. Ao longo dos trilhos ficaram
instaladas torres, elas receberam as informações da central de controle através de cabos de
fibra óptica e enviará as informações ao trem através de ondas de rádio, nas extremidades do
trem existem dispositivos onde receberam as ondas de rádio, conforme ilustra a figura 14.
Figura 14: Sistema de transmissão de dados entre central de controle e o trem maglev.
Fonte: www.transrapid-international.de/english/welt.html
37
3.2.3 Vantagens da tecnologia
A grande diferença entre um trem maglev e um trem convencional é que os trens
maglev não têm um motor, pelo menos não o tipo de motor usado para puxar os vagões de
trem típico em trilhos de aço. O motor para os trens maglev é quase imperceptível. Em vez de
usar combustível fóssil, o campo magnético criado pela bobina eletrificada nas paredes do
trilho guia e os trilhos se juntam para impulsionar o trem.
O baixo custo do veículo, incluindo a implantação do sistema, é a principal vantagem
sobre outros meios de transporte similares. Outra vantagem do Maglev é que as articulações
entre os módulos o tornam mais flexível, facilitando seu desempenho nas curvas. Os trens
com rodas e trilhos que operam em alta velocidade como o trem-bala, que chega a fazer 350
km/h, não conseguem trafegar em rampas com inclinação superior a 4%, pois dependem do
atrito entre as rodas e os trilhos para sua locomoção. Já o Maglev, que utiliza motor linear,
pode operar com inclinações de até 15%, limitada apenas pelo conforto dos passageiros.
A levitação magnética oferece as seguintes vantagens, se comparada às tecnologias
convencionais:
•
o veículo maglev é mais eficiente do que o trem convencional ou o avião para
curtas distâncias, pois é mais modulável do que ambos e, além disso, não tem tempos
operacionais passivos como os aviões (check-in, taxiamento, check-out, etc.);
•
consome cerca de 30% menos energia por passageiro-km do que o trem
convencional, para um trajeto de 400 km a uma velocidade média de 400 km/h, e 60% menos
do que o avião para o mesmo trajeto;
•
tem um horizonte de expansão da velocidade, se o veículo for posto em um
tubo a vácuo parcial (projeto Swissmetro), enquanto que o trem convencional não pode passar
de 400 km/h (barreira de tração).
38
3.2.4 Vantagens ambientais
3.2.4.1 Poluição sonora
Considerando que entre o veículo Maglev e o guideway não existe contato, o único
ruído gerado é advindo da aerodinâmica do veículo. Mesmo com velocidades superiores a 500
km/h, o ruído permanece com níveis abaixo do apresentado por trens de alta velocidade.
3.2.4.2 Vibração
Da mesma forma, considerando que entre o veículo Maglev não existe contato, a
vibração no solo oriundo da operação da circulação do veículo é inexistente.
3.2.4.3 Poluição atmosférica
A aplicação de motores lineares para geração de energia substitui o uso de
combustíveis e derivados de petróleo, sendo uma fonte de energia mais limpa e com menor
índice poluidor, reduzindo assim, a emissão de particulados na atmosfera.
39
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao longo dos anos foram se elevando em diferentes direções o edifício teórico e
aplicação tecnológica do eletromagnetismo, esforços investigatícios, tanto básicas quanto
tecnológicas a fim de melhorar e modificar os diversos sistemas eletrônicos que nos são
familiares
E foi definitivamente estabelecido em 1873, pelas mãos de James Clerk Maxwell,
sábio escocês, criador das equações gerais do eletromagnetismo, que sintetizam elegante e
magistralmente essa área do saber. A eletricidade e o magnetismo no mundo contemporâneo
estão presentes em todos os setores econômicos, desde as áreas de transporte e comunicação,
passando pelas de produção, até as de lazer. De forma bem simples e resumida o
conhecimento do eletromagnetismo, entre outras determinações, possibilitou a transformação
do movimento em eletricidade e a eletricidade em movimento onde o magnetismo entra como
condição da possibilidade dessas geniais transformações.
No caso do magnetismo é notável porque, uma vez que há um descobrimento
científico, este tem uma aplicação prática imediata que por sua vez fomenta a investigação
científica, a qual serve para abrir novos horizontes científicos, tecnológicos que melhoram
nossas vidas.
40
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Acesso em: 14 jun.2010
em:
<http://buy-home-electronics.com/pt/telegrafo-eletrico>.
______. Disponível em: <http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/pt/Elitrical_telegraph>.
Acesso em: 14 jun. 2010.
TÓPICOS
CURIOSOS
SOBRE
ELETROMAGNETISMO.
Disponível
<http://proavirtualg5.pbworks.com/Curiosidades>. Acesso em: 16 jul. 2010
em:
42
ANEXO
43
Anexo A – Equações de Maxwell
1. Lei de Gauss para Campo Elétrico na forma Integral
Ao colocarmos uma carga no centro de superfície esférica imaginaria de raio r. O
campo elétrico E em qualquer ponto sobre a superfície e dado por:
E=
F
q0
(1.0)
Sabendo que a força eletrostática de atração ou repulsão entre as duas cargas é dada
por:
F=
q.q0
4πε 0 r 2
1
(1.2)
Substituindo a equação (1.2) em (1.0) temos:
E=
1
q
4πε 0 r 2
(1.2)
A Lei afirma que o fluxo elétrico total através de qualquer superfície fechada é dado
por:
Φ E = E.da
(1.3)
s
Sabendo que a área de uma esfera é dada por:
a = 4πr 2
(1.4)
Substituindo as equações (1.2) e (1.4) na equação (1.3), temos:
ΦE =
q
ε0
Igualando as equações (1.3) e (1.5), obtemos:
(1.5)
44
E.da =
s
q
(Forma Integral)
ε0
(1.6)
1.1 Lei de Gauss para Campo Elétrico na forma Diferencial
E.da =
s
q
(1.6)
ε0
Aplicando o teorema da divergência na equação (1.6), temos:
V
(∇.Ε)dV = εq
(1.7)
0
Escrevendo q em termo da densidade de carga temos:
V
(∇.Ε)dV = ε1
ρdV
(1.8)
0 V
Mantendo essa equação para qualquer volume, os integrados devem ser iguais, então:
∇.E =
q
ε0
(Forma Diferencial)
(1.9)
2. Lei de Gauss para o Campo Magnético na forma Integral
Tal qual como o campo elétrico o campo magnético é um campo vetorial,
relacionando o fluxo magnético às cargas magnéticas envolvidas. Definimos o fluxo
magnético através de uma superfície de modo análogo a descrição do fluxo elétrico, portanto
temos que o fluxo magnético é dado por:
Φ B = B.a
(2.0)
Na lei de Gauss, o fluxo elétrico total através de uma superfície fechada e
proporcional a carga elétrica total existente no interior da superfície. Por exemplo, quando a
superfície fechada engloba um dipolo elétrico, o fluxo total e zero porque a carga total e igual
a zero. Por analogia o fluxo magnético total através de uma superfície fechada seria
45
proporcional a carga magnética no interior da superfície fechada, concluísse que o fluxo
magnético total através de uma superfície fechada e sempre igual a zero.
B.a = 0
(Forma Integral)
(2.1)
2.1 Lei de Gauss para o Campo Magnético na forma Diferencial
B.da = 0
(2.1)
Aplicando o teorema da divergência na equação (2.1) temos:
(∇.B )dV
B.da =
(Teorema da divergência)
V
(∇.B )dV = 0
(2.2)
V
Usando o teorema de Gauss como no caso anterior, temos:
∇.B = 0
(Forma Diferencial)
(2.3)
3. Lei de Ampère na forma Integral
Vamos considerar o campo magnético produzido por um condutor retilíneo longo
transportando uma corrente I e que as linhas de campo magnético são circunferências
centralizadas sobre o condutor, o campo é dado por:
B=
µ0 I
2πr
(2.4)
É possível de um modo mais prático determinar um campo magnético total
produzido por qualquer distribuição de correntes, definida com base em uma integral de linha
de B em torno de uma trajetória fechada, designada por:
B.dl
(2.5)
46
Para calcularmos essa integral, dividimos a trajetória em segmentos infinitesimais
dl , calculamos o produto escalar B.dl para cada segmento e a seguir somamos esses
produtos.
B.dl = B2 dl
(2.6)
Podemos dizer que B2 é constante é igual a B em todos os pontos ao longo da circunferência,
portanto:
B.dl = B2 dl
B.dl =
(2.7)
µ0 I
(2πr )
2πr
B.dl = µ 0 I Total
(2.8)
(Forma Integral)
(2.9)
Adicionando o termo de correção na equação (2.9), descoberto por Maxwell que indica que
um campo elétrico dependente do tempo contribui também para o campo magnético, temos:
B.dl = µ 0 I Total + ε 0
dΦ E
dt
(2.10)
dΦ E
dt
(2.10)
3.1 Lei de Ampère na forma Diferencial
B.dl = µ 0 I Total + ε 0
Usando a equação (2.9) e escrevendo I total em termo da densidade de corrente, temos:
B.dl = µ 0
J .da + ε 0
dΦ E
dt
(3.0)
Usando o teorema de Stokes no lado esquerdo da equação (3.0), temos:
(∇ × B ).da = µ
Assim temos que:
0
J .da + ε 0
dΦ E
dt
(3.1)
47
∇ × B = µ0 J + ε 0
∂E
∂t
(forma Diferencial)
(3.2)
4. Lei de Faraday na forma Integral
Uma força eletromotriz é induzida na espira quando o numero de linhas de campo
magnético que atravessa a espira esta variando.
O módulo da força eletromotriz ε induzida em uma espira condutora é igual à taxa
de variação com o tempo do fluxo magnético que atravessa a espira, temos que:
ε =−
dΦ B
dt
(Lei de Faraday)
(3.3)
Considere uma partícula de carga q0 que se move ao longo de uma circunferência, o
trabalho, realizado pelo campo elétrico induzido sobre a partícula é:
W = ε .q 0
(3.4)
Por definição o trabalho também é dado por:
W = F .dl
(3.5)
Substituindo as equações (1.0) e (3.4) em (3.5) temos que:
ε = E.dl
(3.6)
Igualando a equação (3.6) com a lei de Faraday, obtemos uma nova expressão para a lei de
Faraday:
E.dl = −
4.1
dΦ B
dt
Lei de Faraday na forma Diferencial
Partindo da equação (3.7)
(forma Integral)
(3.7)
48
E.dl = −
dΦ B
dt
Se o circulo for um círculo estacionário rígido, a derivada temporal poderá ser
tomada dentro da integral, onde se tornará uma derivada temporal parcial, temos:
E.dl = −
d
dt
E.dl = −
B.da
(3.8)
S
∂B
.da
∂t
(3.9)
Aplicando o teorema de Stokes no lado esquerdo da equação (3.9), temos:
(∇ × E ).da =
S
−
S
∂B
.da
∂t
(4.0)
Se isso for verdadeiro para todas as superfícies fixa S, temos:
∇× E = −
∂B
∂t
(Forma Diferencial)
(4.1)
49
APÊNDICE
50
Apêndice A – autores e datas
Thales de MILETUS
(640-550 a.C.)
Alexander NECKMA
(1157-1217)
Petrus PEREGRINUS
(1240 – ?)
Willian Gilbert de COLCHESTER
(1544-1603)
Otto Von GUERICK
(1602-1686)
Walter CHARLETON
(1619-1707)
Stephen GRAY
(1679-1736)
Peter Von MUSSCHENBROEK
(1692-1761)
Benjamim FRANKLIN
(1706-1790)
Ulrich Theodor ÄEPINUS
(1724-1802)
Henry CAVENDISH
(1731-1810)
Charles Augustin de COULOMB
(1735-1806)
Luigi GALVANI
(1737-1798)
Alessandro Giuseppe Antônio Anasta VOLTA
(1745-1827)
Gian Domenico ROMAGNOSI
(1761-1835)
Jean Baptiste BIOT
(1774-1862)
André-Marie AMPÉRE
(1775-1836)
Hans Christian OERSTED
(1777-1851)
Karl Friedrich GAUSS
(1777-1855)
Joseph Louis GAY-LUSSAC
(1778-1850)
Dominique François Jean ARAGO
(1786-1853)
Georg Simon OHM
(1789-1854)
Félix SAVART
(1791-1841)
Michael FARADAY
(1791-1867)
Samuel Finley Breese MORSE
(1791-1872)
Joseph HENRY
(1797-1878)
Heinrich Friedrich Emil LENZ
(1804-1865)
Wilhelm Eduard WEBER
(1804-1891)
Gustav Robert KIRCHHOFF
(1824-1887)
James Clerk MAXWELL
(1831-1879)
John Henry POYNTING
(1852-1914)
Heinrich Rudolf HERTZ
(1857-1894)